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1、设计研究收稿日期: 2009 - 08 - 14汽车电动燃油泵控制模块的开发朱振华 (联合汽车电子有限公司)【 摘要 】 汽车电动燃油泵作为发动机控制系统中的重要组成部分,对其寿命的要求越来越高。在详细分析燃油泵控制模块需求的基础上,结合对当前已有燃油泵控制方案的研究提出了新的硬件方案,兼顾了成本、散热和小尺寸的要求,并可应用于其他汽车电机控制。【 主题词 】 电动燃油泵 电子模块 汽车0 前言汽车电子在发动机上的应用主要为电子控制 喷油和点火。在现代汽车上,机械式或机电混合 式燃油喷射系统已趋于淘汰,电控燃油喷射装置 因其性能优越而得到了日益普及。电子喷油装置 可以自动保证发动机始终工作在最
2、佳状态,使其在输出一定功率的条件下最大限度节油和减少排 放。经过实验并修正得到发动机最佳工况时的供 油控制规律、 事先把这些客观规律编成程序存在 微机的存储器中,当发动机工作时,根据各传感器 测得的空气流量、 排气管中含氧量、 进气温度、 发动机转速及工作温度等参数,按预先编好的运算 程序进行运算、 然后和内存中的最佳工况参数进 行比较和判断再调整供油量。这将使发动机一直 在最优工作条件下运行,从而使发动机的综合性 能得到提高。电动燃油泵控制作为电子控制喷油系统的重 要组成部分,通过发动机管理系统的控制器经过 继电器来控制已经无法满足日益增长的对油泵寿 命、 功耗、 复杂诊断功能的要求,因此单
3、独的智能 油泵控制模块更显必要,以实现按照需要控制燃油压力,能应用于恒压控制的传统燃油控制系统 及汽油机直喷和歧管喷射等新技术中;并具备了 更多的诊断和故障处理功能,实现了更好的安全性。系统结构见图1。图1 电动燃油泵系统结构图系统的基本概念是发动机管理系统ECU计算 出相应的对油泵控制信号后将控制信号传输给独 立的电子模块控制油泵的运行,和当前的单纯控 制油泵继电器的方式相比有如下优点:减小化油 泵的耗电;减少电子系统的负担;增加油泵的寿 命;减少油泵的噪声;减少百公里油耗;降低油温 和燃油涡流;对当前的发动机管理系统ECU的改 动最小(只需要更改软件)。1 模块设计1. 1 需求分析 要求
4、油泵电子模块接受发动机管理系统ECU71上海汽车 2009110设计研究传递的控制信号后将之转换为相应的控制信号直接控制油泵的运行,同时监控油泵的运行情况,将故障信息传回给ECU进行处理。油泵电子模块可以工作在正常模式和睡眠模式(极低功耗)。 两种模式切换的控制信号也由ECU发出。系统的成本要求电子元器件的材料成本不超过80元。考虑需要能安装在油泵的法兰中,整个系统印刷线路板大小约为4028 mm,考虑到油耗和电机驱动要求系统的总功耗要小于5 W,能实现多种对电机的诊断功能。图3 功能模块图1. 2 控制策略考虑该控制系统需要控制的是油泵的泵油量(即控制PWM输出信号的占空比从而调节油泵电机的
5、运行情况) ,因此控制系统的输入必须是和燃油量相关的信号。按前节所述,发动机在启动、 怠速和加减速等过渡工况下对燃油的需求是不同的,有时候需要加浓有时候需要偏稀,在倒拖工况下为省油还可以切断供油。为了按照供油的需要从而控制油泵的运行,按照发动机的工况计算系统需要的燃油压力作为系统的主要输入控制条件。燃油压力传感器的信号作为系统的反馈,大致的控制框图见图2。燃油压力传感器的信号经过滤波处理后和预设的燃油压力进行比较,比较的结果经过PI D调节决定了最终产生的占空比。该占空比信息将被传递给油泵控制模块从而控制油泵的运行。图2 燃油压力传感器信号反馈控制框图由于噪声在压力回路中是很典型的,压力测量
6、值会突然升高或降低。为了抑制该高频干扰,对于燃油压力传感器的信号需要先做低通滤波处理。 之后PI D环节的参数整定成为控制的重要环节。1. 3 总体设计 根据系统的功能和成本需求,选用最为常见 的单片机控制加印刷线路板的方式。考虑到成本以及汽车电子的可靠性要求,尽量选择知名汽车 电子芯片供应商的产品。由于成本压力,尽量选 择集成了多个功能的专用芯片(ASIC)。为了尽可 能降低成本,采用几个CPU的数字口和EMS的ECU进行通讯以替代专用的K线/CAN芯片。功能模块图见图3。 发动机管理系统的控制信号输入到油泵电子 模块后经过滤波进入单片机,单片机经过运算产 生相应的PWM信号给专用芯片,专用
7、芯片在增大 驱动能力后输出PWM信号驱动MOSFET管。输出侧的二极管用于在关断MOSFET管的时候给电 机续流,从而减小电机电流的波动。 输入的控制信号还可让专用芯片从睡眠模式81上海汽车 2009110 设计研究切换到正常工作模式。单片机接收到发动机管理 系统的切换需求后可通过SPI设置专用芯片的寄存器把专用芯片切换到睡眠模式下,此时专用芯片会 关断5 V电源的输出,使单片机也停止工作。在这 种情况下只有专用芯片工作在睡眠模式下,保证了 系统需要在低功耗下电流小于100A的要求。 在电机的通路中串进一个毫欧级别大功率电阻用于电流检测。检测到的故障信息通过SPI口 传递给单片机。单片机在得到
8、故障信息后通过同 一根通讯线将故障信息传递给发动机管理系统的ECU。 图4显示了最初的油泵电子模块的输入接口。根据电路设计,专用芯片向单片机提供5 V 电源。在睡眠模式下专用芯片会切断5 V电源, 单片机将停止工作,在这种情况下只有专用芯片 工作在睡眠模式下,需要的电流小于0. 1 mA。图4 油泵电子模块输入接口但在调试睡眠模式和正常工作模式的切换时 发现了一个奇怪的现象。即使专用芯片关断了5 V的输出,在单片机的5 V电源引脚上仍然测量 到了3 V左右的电压。这个3 V电压使得油泵电 子模块工作在一种错误的状态下(因为晶振的频 率不对)。之后如果专用芯片恢复提供5 V电压, 单片机的5 V
9、电源引脚上的电压从3 V变为5 V, 但是单片机仍工作在错误的状态下,并没有被真 正唤醒。 经过分析发现错误的3 V来自于电瓶电压的 电压倒灌。为了验证该想法,又做了另一个测试。 把一个单独单片机的输入输出口经过一个电阻直 接连到12 V电源。 测量单片机的5 V电源引脚电 压为4 V左右。由此可确认在单片机的电源被切断后由于电瓶电压处仍有12 V的电压,并通过单片机的数字口灌进,导致单片机工作不正常,而且无法再次进入正常工作模式。解决该问题的第一个设想是把电瓶的电压从12 V降低到5 V,结果发现仍然会在单片机的5 V电源处产生一个2 V左右的电压,同样会使单片机工作不正常。于是考虑在电瓶电
10、压和串联电阻间加了一个三极管。三极管的门级电压由专用芯片提供的5 V电源控制。在这里三极管起到了一个开关的作用。当油泵电子模块进入睡眠模式的时候,由于专用芯片关断了5 V输出,同时也就关断了三极管。由此电瓶电压就无法影响单片机的工作了,单片机就彻底停止了运行。由于唤醒信号线L I N在三极管左侧,因此仍能接受唤醒信号。当专用芯片被唤醒后恢复提供5 V的时候,三极管打开,单片机上电复位后进入正常工作模式。通过实验验证了该设想,油泵电子模块实现了睡眠模式和正常工作模式的自由切换。1. 4 散热处理对于驱动油泵电机的MOSFET来说,当输出P WM信号的占空比是100%时MOSFET上产生的热量最大
11、。根据系统需求,最大功率不应该超过2W。油泵电子模块的最高工作温度为80,MOS2FET的最高工作温度为175。Tj-Ta=PVRthj-aRthj-a= (175- 80) /2W =47. 5/W式中:Tj为节点温度;Ta为 环境温度;Pv为芯片的功率;Rthj-a为节点到环境的热阻。图5 芯片热阻(节点到环境温度)和印刷线路板散热区域关系图(无风)91上海汽车 2009110设计研究根据图5的经验热阻值,为了确保MOSFET 能在最恶劣的情况下正常工作,需要在印刷线路板上提供给MOSFET至少600 mm2的散热区域。实际上整个印刷线路板除去放置元器件的面积后 只有300 mm2可用于散
12、热。因此仅靠印刷线路板对MOSFET散热是不可能的,再考虑二极管的热 量,只能靠外加散热片的方式对MOSFET和二极管进行散热处理。 为了确保有效散热,创新性地提出了将功率 器件的散热块向上紧靠外壳的方式,具体见图6。图6 功率器件安置示意图1. 5 系统测试 经过供电电压测试、 丢负载测试、 故障模拟测 试、 启动时间测量、ESD测试、CE&RE测试、ISO脉 冲测试,系统完全满足功能要求并能在汽车环境 中正常工作。2 总结与展望2. 1 总结 经过对电动燃油泵电子模块的使用环境分析、 成本分析,形成了比较全面地系统需求。最终 的设计方案较好地满足了功能需求、 成本需求以 及可靠性需求。2.
13、 2 展望 目前在汽车成本所占比例越来越大的汽车电子产品及元器件市场空间极大。国外每台汽车采 用汽车电子产品的平均费用1990年为672美元,2000年已达到2 000美元。专家预测,汽车电子产 品占汽车成本的比例将达到50% ,全球市场销售 额在近一二年将超过1 000亿美元。目前,国际汽 车巨头纷纷将更多的电子信息技术设备装备到其 整车中。在国外,中高档轿车采用的电子信息设备已经达到30%50% ,在一些高档车上,这个比 例更。电子信息技术设备供应商也纷纷将下一个 经济增长点定位在汽车电子产业上。摩托罗拉、 英特尔、 微软、 德州仪器、 飞利浦、 西门子等这些过 去为其他行业和产品提供技术
14、支持的厂商,早已经做好了准备,有些产品已经为汽车提供了新的 “ 动力 ” 。 本设计对油耗、 排放均有不同程度的提高,还 提高了油泵的使用寿命,同时具备低成本易安装 的特性,具有非常良好的市场前景。此外,本方案也具备良好的适应性,在做一些简单的设计更改 后可以应用到其他汽车单相直流电机如电动摇窗 机、 雨刮器等的控制上。参考文献1 黄河.汽车电喷系统基本原理M .上海:上海交通大学出版社, 2003.2 李春明.汽车发动机燃油喷射技术M .北京:北京理工大学出版社, 2004.3 洪志全.现代计算机接口技术M .北京:电子工业出版社, 2002.4 林国荣.电磁干扰及控制M .北京:电子工业出
15、版社,2003.AbstractAs one of the i mportant components in the en2gine management system,the lifeti me of the fuelpump is very critical .After analyzing the require2ments and former solution, a new HW solution whichcombines the cost, heat dispersion and small size israised, and the solution can be also applied to theothermotor control in the vehicle.02上海汽车 2009110
